Redis高并发缓存架构

前言：

针对缓存我们并不陌生，而今天所讲的是使用redis作为缓存工具进行缓存数据。redis缓存是将数据保存在内存中的，而内存的珍贵性是不可否认的。所以在缓存之前，我们需要明确缓存的对象，是否有必要缓存，怎么做好缓存，怎样避免缓存失效。

处理Redis常见问题与提高Redis缓存性能

一、Redis作为缓存常见问题及其处理方案

1）缓存穿透

根源：请求不断的查询一个不存在的key，缓存层和存储层都不会命中。

解决方案：   

• 对接口参数进行校验、防止出现恶意攻击；
• 查询不到值时，将value设置成一个标记为加入缓存中，下次再查询就返回一个标记数而不必经过数据库，例如查询id为5的商品，不存在则返回一个-9999，然后在做逻辑判断，但是需要设置一个较短的缓存有效时间，防止以后key对应的value有数据的时候仍然返回空造成错误。
• 使用bitmap类型定义一个可以访问的白名单，id作为偏移量。
• 采用布隆过滤器

2）缓存击穿

根源：缓存击穿是指对于一些设置了过期时间的key，这些key可能在某些时间被超高并发访问，是一种’热点‘数据，然后在这个数据被访问前正好key失效了，那么对这个key的查询会全部转到数据库上，造成数据库压力增大导致卡顿崩溃的现象。

解决方案：

• 设置热点数据永不过期；
• 加锁，大量并发只让一个人去查，其他人等待，直到以后释放锁，其他人读取到锁先查缓存。

3）缓存雪崩

根源：大量的热数据key同时过期，过期之后涌入大量请求，导致请求直接访问数据库，骤增数据库压力。

解决方案：

• 设置热点数据永不过期；
• 将缓存过期时间设置成某一段时间内的随机数，这样就不会同时过期；
• 分布式处理缓存，将缓存存在不同的地方
• 依赖隔离组件为后端限流熔断并降级。比如使用Sentinel或Hystrix限流降级组件

4）缓存与数据不一致问题

1、双写不一致情况（修改数据更新缓存）

线程1先写入了数据库，这时候准备更新缓存，但是因为某原因导致出现延迟，此时线程二快速将新数据写入数据库，并且成功更新了缓存，完事之后线程1恢复了速度开始更新缓存，就导致了线程2是最后写入数据的，但是缓存的内容还是旧值，从而达到双写不一致的错误场景

2、读写并发不一致（修改数据删除缓存）

线程一先写入数据10，并删除了缓存，之后线程三读取数据，发现缓存为空，于是去查询数据库，而此时查询数据库的时间较长，与此同时线程二写入数据6，又删除了缓存，在这之后线程三也读成功更新了缓存，造成了数据库的结果是6而缓存的结果是10这种错误情况

解决方案：

1、对于并发几率很小的数据(如个人维度的订单数据、用户数据等)，这种几乎不用考虑这个问题，很少会发生缓存不一致，可以给缓存数据加上过期时间，每隔一段时间触发读的主动更新即可。

2、就算并发很高，如果业务上能容忍短时间的缓存数据不一致(如商品名称，商品分类菜单等)，缓存加上过期时间依然可以解决大部分业务对于缓存的要求。

3、如果不能容忍缓存数据不一致，可以通过加分布式读写锁保证并发读写或写写的时候按顺序排好队，读读的时候相当于无锁。

4、也可以用阿里开源的canal通过监听数据库的binlog日志及时的去修改缓存，但是引入了新的中间件，增加了系统的复杂度。

二、针对不同热度的数据采用不同的处理方式

1）热点数据

处理方案：

1、缓存永不过期

2、缓存读延期功能

当命中缓存的时候，设置key的过期时间为默认时间，相当于时间设满，设置过期时间所需要的时间是非常非常少的，对性能的影响也是微乎其微。对于热数据的获取可以实现无线续期的效果

2）冷门数据

处理方案：
针对冷门数据最好不进行缓存，避免内存浪费以及无意义的缓存在过期

基础缓存代码分析

源码与图示

很基础的Redis工具类

@Component
public class RedisUtil {

    @Autowired
    private RedisTemplate redisTemplate;

    public void set(String key, Object value) {
        redisTemplate.opsForValue().set(key, value);
    }

    public void set(String key, Object value, long timeout, TimeUnit unit) {
        redisTemplate.opsForValue().set(key, value, timeout, unit);
    }

    public boolean setIfAbsent(String key, Object value, long timeout, TimeUnit unit) {
        return redisTemplate.opsForValue().setIfAbsent(key, value, timeout, unit);
    }

    public  T get(String key, Class T) {
        return (T) redisTemplate
                .opsForValue().get(key);
    }

    public String get(String key) {
        return (String) redisTemplate
                .opsForValue().get(key);
    }

    public Long decr(String key) {
        return redisTemplate
                .opsForValue().decrement(key);
    }

    public Long decr(String key, long delta) {
        return redisTemplate
                .opsForValue().decrement(key, delta);
    }

    public Long incr(String key) {
        return redisTemplate
                .opsForValue().increment(key);
    }

    public Long incr(String key, long delta) {
        return redisTemplate
                .opsForValue().increment(key, delta);
    }

    public void expire(String key, long time, TimeUnit unit) {
        redisTemplate.expire(key, time, unit);
    }

}

代码：

@Service
public class ProductService {

    @Autowired
    private ProductDao productDao;

    @Autowired
    private RedisUtil redisUtil;

    @Autowired
    private Redisson redisson;

    public static final Integer PRODUCT_CACHE_TIMEOUT = 60 * 60 * 24;
    public static final String EMPTY_CACHE = "{}";
    public static final String LOCK_PRODUCT_HOT_CACHE_PREFIX = "lock:product:hot_cache:";
    public static final String LOCK_PRODUCT_UPDATE_PREFIX = "lock:product:update:";
    //新增数据
    @Transactional
    public Product create(Product product) {
        Product productResult = productDao.create(product);
        redisUtil.set(RedisKeyPrefixConst.PRODUCT_CACHE + productResult.getId(), JSON.toJSONString(productResult),
                genProductCacheTimeout(), TimeUnit.SECONDS);
        return productResult;
    }
    //修改数据
    @Transactional
    public Product update(Product product) {
        Product productResult = null;
        RReadWriteLock readWriteLock = redisson.getReadWriteLock(LOCK_PRODUCT_UPDATE_PREFIX + product.getId());
        RLock writeLock = readWriteLock.writeLock();
        writeLock.lock();
        try {
            productResult = productDao.update(product);
            redisUtil.set(RedisKeyPrefixConst.PRODUCT_CACHE + productResult.getId(), JSON.toJSONString(productResult),
                    genProductCacheTimeout(), TimeUnit.SECONDS);
        } finally {
            writeLock.unlock();
        }
        return productResult;
    }
    //读数据方法
    public Product get(Long productId) throws InterruptedException {
        Product product = null;
        String productCacheKey = RedisKeyPrefixConst.PRODUCT_CACHE + productId;
        //读取缓存中的数据，具体方法实现看源码 getProductFromCache
        product = getProductFromCache(productCacheKey);
        if (product != null) {
            //此处需要和前端进行约定，如果对象的ID为空，则需要提示商品不存在
            return product;
        }
        //DCL 如果存在很高的并发量，导致竞争锁耗时过程可以采用定时阻塞的型式
        //需要精确预估执行完后面代码所需要的时候，然后将该值设置为过期时间，时间一过线程就可以继续执行
        RLock hotCacheLock = redisson.getLock(LOCK_PRODUCT_HOT_CACHE_PREFIX + productId);
        hotCacheLock.lock();
        try {
            //再次尝试从缓存中获取数据，避免其他线程已经读取过db而这边线程又重复读取
            product = getProductFromCache(productCacheKey);
            if (product != null) {
                return product;
            }
                //从数据库中读取数据
                product = productDao.get(productId);
                //读取到的数据不为空，则将数据存入redis中。
                if (product != null) {
                    redisUtil.set(productCacheKey, JSON.toJSONString(product),
                            genProductCacheTimeout(), TimeUnit.SECONDS);
                } else {
                    //当数据为空，则存入一个特俗字符，代表空数据，避免缓存穿透
                    //针对特俗key使用较短的过期时间，可以避免短时间黑客反复攻击，看能避免长时间造成的内存浪费
                    redisUtil.set(productCacheKey, EMPTY_CACHE, genEmptyCacheTimeout(), TimeUnit.SECONDS);
                }

        } finally {
            hotCacheLock.unlock();
        }
        return product;
    }
        //从缓存中读取数据
    private Product getProductFromCache(String productCacheKey) {
        Product product = null;

        String productStr = redisUtil.get(productCacheKey);
        if (!StringUtils.isEmpty(productStr)) {
            if (EMPTY_CACHE.equals(productStr)) {
                //未查询到数据，需要设置一个空对象返回，并设置较短的过期时间
                redisUtil.expire(productCacheKey, genEmptyCacheTimeout(), TimeUnit.SECONDS);
                return new Product();
            }
            //如果真是查询到数据，设置读延期
            product = JSON.parseObject(productStr, Product.class);
            redisUtil.expire(productCacheKey, genProductCacheTimeout(), TimeUnit.SECONDS); //读延期
        }
        return product;
    }
    //设置较长的过期时间
    private Integer genProductCacheTimeout() {
        return PRODUCT_CACHE_TIMEOUT + new Random().nextInt(5) * 60 * 60;
    }
    //设置较短的过期时间
    private Integer genEmptyCacheTimeout() {
        return 60 + new Random().nextInt(30);
    }



}

良好的Redis使用习惯

一、键值设计

1）key名设计

• (1)【建议】: 可读性和可管理性

以业务名(或数据库名)为前缀(防止key冲突)，用冒号分隔，比如业务名:表名:id

trade:order:1

• (2)【建议】：简洁性

保证语义的前提下，控制key的长度，当key较多时，内存占用也不容忽视，例如：

user:{uid}:friends:messages:{mid} 简化为 u:{uid}:fr:m:{mid}

• (3)【强制】：不要包含特殊字符

反例：包含空格、换行、单双引号以及其他转义字符

2） value设计

(1)【强制】：拒绝bigkey(防止网卡流量、慢查询)

在Redis中，一个字符串最大512MB，一个二级数据结构（例如hash、list、set、zset）可以存储大约40亿个(2^32-1)个元素，但实际中如果下面两种情况，我就会认为它是bigkey。

1. 字符串类型：它的big体现在单个value值很大，一般认为超过10KB就是bigkey。
2. 非字符串类型：哈希、列表、集合、有序集合，它们的big体现在元素个数太多。

一般来说，string类型控制在10KB以内，hash、list、set、zset元素个数不要超过5000。

反例：一个包含200万个元素的list。

非字符串的bigkey，不要使用del删除，使用hscan、sscan、zscan方式渐进式删除，同时要注意防止bigkey过期时间自动删除问题(例如一个200万的zset设置1小时过期，会触发del操作，造成阻塞）

bigkey的危害：

1.导致redis阻塞

2.网络拥塞

bigkey也就意味着每次获取要产生的网络流量较大，假[[设一个bigkey为1MB，客户端每秒访问量为1000，那么每秒产生1000MB的流量，对于普通的千兆网卡(按照字节算是128MB/s)的服务器来说简直是灭顶之灾，而且一般服务器会采用单机多实例的方式来部署，也就是说一个bigkey可能会对其他实例也造成影响，其后果不堪设想。

3.过期删除

有个bigkey，它安分守己（只执行简单的命令，例如hget、lpop、zscore等），但它设置了过期时间，当它过期后，会被删除，如果没有使用Redis 4.0的过期异步删除(lazyfree-lazy-expire yes)，就会存在阻塞Redis的可能性。

bigkey的产生：

一般来说，bigkey的产生都是由于程序设计不当，或者对于数据规模预料不清楚造成的，来看几个例子：

(1) 社交类：粉丝列表，如果某些明星或者大v不精心设计下，必是bigkey。

(2) 统计类：例如按天存储某项功能或者网站的用户集合，除非没几个人用，否则必是bigkey。

(3) 缓存类：将数据从数据库load出来序列化放到Redis里，这个方式非常常用，但有两个地方需要注意，第一，是不是有必要把所有字段都缓存；第二，有没有相关关联的数据，有的同学为了图方便把相关数据都存一个key下，产生bigkey。

优化bigkey

1. 拆

• big list： list1、list2、...listN
• big hash：可以讲数据分段存储，比如一个大的key，假设存了1百万的用户数据，可以拆分成200个key，每个key下面存放5000个用户数据
•  如果bigkey不可避免，也要思考一下要不要每次把所有元素都取出来(例如有时候仅仅需要hmget，而不是hgetall)，删除也是一样，尽量使用优雅的方式来处理。

(2)【推荐】：选择适合的数据类型。

例如：实体类型(要合理控制和使用数据结构，但也要注意节省内存和性能之间的平衡)

反例：

set user:1:name tom set user:1:age 19 set user:1:favor football

正例:

hmset user:1 name tom age 19 favor football

(3)【推荐】：控制key的生命周期，redis不是垃圾桶。

建议使用expire设置过期时间(条件允许可以打散过期时间，防止集中过期)。

二、命令使用

1. O(N)命令关注N的数量

例如hgetall、lrange、smembers、zrange、sinter等并非不能使用，但是需要明确N的值。有遍历的需求可以使用hscan、sscan、zscan代替。

2.：禁用命令

禁止线上使用keys、flushall、flushdb等，通过redis的rename机制禁掉命令，或者使用scan的方式渐进式处理。

3.合理使用select

redis的多数据库较弱，使用数字进行区分，很多客户端支持较差，同时多业务用多数据库实际还是单线程处理，会有干扰。

4.使用批量操作提高效率

原生命令：例如mget、mset。 非原生命令：可以使用pipeline提高效率。

但要注意控制一次批量操作的元素个数(例如500以内，实际也和元素字节数有关)。

注意两者不同：

1. 原生命令是原子操作，pipeline是非原子操作。 2. pipeline可以打包不同的命令，原生命令做不到 3. pipeline需要客户端和服务端同时支持。

5.Redis事务功能较弱，不建议过多使用，可以用lua替代

三、客户端处理

1.避免多个应用使用一个Redis实例

正例：不相干的业务拆分，公共数据做服务化。

2.使用带有连接池的数据库，可以有效控制连接，同时提高效率，标准使用方式：

1 JedisPoolConfig jedisPoolConfig = new JedisPoolConfig();
2 jedisPoolConfig.setMaxTotal(5);
3 jedisPoolConfig.setMaxIdle(2);
4 jedisPoolConfig.setTestOnBorrow(true);
5
6 JedisPool jedisPool = new JedisPool(jedisPoolConfig, "192.168.0.60", 6379, 3000, null);
7
8 Jedis jedis = null;
9 try {
10 jedis = jedisPool.getResource();
11 //具体的命令
12 jedis.executeCommand()
13 } catch (Exception e) {
14 logger.error("op key {} error: " + e.getMessage(), key, e);
15 } finally {
16 //注意这里不是关闭连接，在JedisPool模式下，Jedis会被归还给资源池。
17 if (jedis != null)
18 jedis.close();
19 }

连接池参数含义：

序号	参数名	含义	默认值	使用建议
1	maxTotal	资源池中最大连接数	8	设置建议见下面
2	maxIdle	资源池允许最大空闲的连接数	8	设置建议见下面
3	minIdle	资源池确保最少空闲的连接数	0	设置建议见下面
4	blockWhenExhausted	当资源池用尽后，调用者是否要等待。只有当为true时，下面的maxWaitMillis才会生效	true	建议使用默认值
5	maxWaitMillis	当资源池连接用尽后，调用者的最大等待时间(单位为毫秒)	-1：表示永不超时	不建议使用默认值
6	testOnBorrow	向资源池借用连接时是否做连接有效性检测(ping)，无效连接会被移除	false	业务量很大时候建议设置为false(多一次ping的开销)。
7	testOnReturn	向资源池归还连接时是否做连接有效性检测(ping)，无效连接会被移除	false	业务量很大时候建议设置为false(多一次ping的开销)。
8	jmxEnabled	是否开启jmx监控，可用于监控	true	建议开启，但应用本身也要开启

优化建议：

1）maxTotal：最大连接数，早期的版本叫maxActive

实际上这个是一个很难回答的问题，考虑的因素比较多：

• 业务希望Redis并发量
• 客户端执行命令时间
• Redis资源：例如 nodes(例如应用个数) * maxTotal 是不能超过redis的最大连接数maxclients。
• 资源开销：例如虽然希望控制空闲连接(连接池此刻可马上使用的连接)，但是不希望因为连接池的频繁释放创建连接造成不必靠开销。

以一个例子说明，假设:

• 一次命令时间（borrow|return resource + Jedis执行命令(含网络) ）的平均耗时约为1ms，一个连接的QPS大约是1000
• 业务期望的QPS是50000

那么理论上需要的资源池大小是50000 / 1000 = 50个。但事实上这是个理论值，还要考虑到要比理论值预留一些资源，通常来讲maxTotal可以比理论值大一些。

但这个值不是越大越好，一方面连接太多占用客户端和服务端资源，另一方面对于Redis这种高QPS的服务器，一个大命令的阻塞即使设置再大资源池仍然会无济于事。

2）maxIdle和minIdle

maxIdle实际上才是业务需要的最大连接数，maxTotal是为了给出余量，所以maxIdle不要设置过小，否则会有new Jedis(新连接)开销。

连接池的最佳性能是maxTotal = maxIdle，这样就避免连接池伸缩带来的性能干扰。但是如果并发量不大或者maxTotal设置过高，会导致不必要的连接资源浪费。一般推荐maxIdle可以设置为按上面的业务期望QPS计算出来的理论连接数，maxTotal可以再放大一倍。

minIdle（最小空闲连接数），与其说是最小空闲连接数，不如说是"至少需要保持的空闲连接数"，在使用连接的过程中，如果连接数超过了minIdle，那么继续建立连接，如果超过了maxIdle，当超过的连接执行完业务后会慢慢被移出连接池释放掉。

如果系统启动完马上就会有很多的请求过来，那么可以给redis连接池做预热，比如快速的创建一些redis连接，执行简单命令，类似ping()，快速的将连接池里的空闲连接提升到minIdle的数量。

连接池预热示例代码：

 List minIdleJedisList = new ArrayList(jedisPoolConfig.getMinIdle());
2
3 for (int i = 0; i < jedisPoolConfig.getMinIdle(); i++) {
4 Jedis jedis = null;
5 try {
6 jedis = pool.getResource();
7 minIdleJedisList.add(jedis);
8 jedis.ping();
9 } catch (Exception e) {
10 logger.error(e.getMessage(), e);
11 } finally {
12 //注意，这里不能马上close将连接还回连接池，否则最后连接池里只会建立1个连接。。
13 //jedis.close();
14 }
15 }
16 //统一将预热的连接还回连接池
17 for (int i = 0; i < jedisPoolConfig.getMinIdle(); i++) {
18 Jedis jedis = null;
19 try {
20 jedis = minIdleJedisList.get(i);
21 //将连接归还回连接池
22 jedis.close();
23 } catch (Exception e) {
24 logger.error(e.getMessage(), e);
25 } finally {
26 }
27 }

总之，要根据实际系统的QPS和调用redis客户端的规模整体评估每个节点所使用的连接池大小。

3.高并发下建议客户端添加熔断功能(例如sentinel、hystrix)

4.设置合理的密码，如有必要可以使用SSL加密访问

5.Redis对于过期键有三种清除策略：

1. 被动删除：当读/写一个已经过期的key时，会触发惰性删除策略，直接删除掉这个过期key
2. 主动删除：由于惰性删除策略无法保证冷数据被及时删掉，所以Redis会定期(默认每100ms)主动淘汰一批已过期的key，这里的一批只是部分过期key，所以可能会出现部分key已经过期但还没有被清理掉的情况，导致内存并没有被释放
3. 当前已用内存超过maxmemory限定时，触发主动清理策略

主动清理策略在Redis 4.0 之前一共实现了 6 种内存淘汰策略，在 4.0 之后，又增加了 2 种策略，总共8种：

a) 针对设置了过期时间的key做处理：

1. volatile-ttl：在筛选时，会针对设置了过期时间的键值对，根据过期时间的先后进行删除，越早过期的越先被删除。
2. volatile-random：就像它的名称一样，在设置了过期时间的键值对中，进行随机删除。
3. volatile-lru：会使用 LRU 算法筛选设置了过期时间的键值对删除。
4. volatile-lfu：会使用 LFU 算法筛选设置了过期时间的键值对删除。

b) 针对所有的key做处理：

1. allkeys-random：从所有键值对中随机选择并删除数据。
2. allkeys-lru：使用 LRU 算法在所有数据中进行筛选删除。
3. allkeys-lfu：使用 LFU 算法在所有数据中进行筛选删除。

c) 不处理：

1. noeviction：不会剔除任何数据，拒绝所有写入操作并返回客户端错误信息"(error) OOM command not allowed when used memory"，此时Redis只响应读操作。

LRU 算法（Least Recently Used，最近最少使用）

淘汰很久没被访问过的数据，以最近一次访问时间作为参考。

LFU 算法（Least Frequently Used，最不经常使用）

淘汰最近一段时间被访问次数最少的数据，以次数作为参考。

当存在热点数据时，LRU的效率很好，但偶发性的、周期性的批量操作会导致LRU命中率急剧下降，缓存污染情况比较严重。这时使用LFU可能更好点。

根据自身业务类型，配置好maxmemory-policy(默认是noeviction)，推荐使用volatile-lru。如果不设置最大内存，当 Redis 内存超出物理内存限制时，内存的数据会开始和磁盘产生频繁的交换 (swap)，会让 Redis 的性能急剧下降。

当Redis运行在主从模式时，只有主结点才会执行过期删除策略，然后把删除操作”del key”同步到从结点删除数据。